CN110247524A - 电动重载车辆轮边驱动总成 - Google Patents

Abstract

电动重载车辆轮边驱动总成，属于电机领域。现有的汽车电机系统集成程度低，电机系统成本高的问题。一种电动重载车辆轮边驱动总成，电机驱动器（2）固定在永磁同步电机（1）的上端，二者构成一个总成结构；冷却管道（3）包括S形弯折排布的平板结构和螺旋盘绕的筒形结构，且两部分之间连通，S形弯折排布的平板结构安装在电机驱动器（2）内，为其散热，电机驱动器（2）的外壳上设置的相应的开口供形成S形弯折排布的平板结构走管用；螺旋盘绕的筒形结构包裹在永磁同步电机（1）外周，为其散热。本发明的电机集成程度高，制作运行成本低。

Description

电动重载车辆轮边驱动总成

技术领域

本发明涉及一种电动重载车辆轮边驱动总成。

背景技术

如今汽车设计越来越讲究在可靠性安全性前提条件下的整车轻量化与集成化，整车轻量化与集成化是汽车发展的一种趋势。在混合动力(主驱电机)或者纯电汽车之中，汽车驱动方式将由集中驱动方式向分布式驱动方式发展。集中驱动系统的功率与扭矩将分配到 2个或者4个驱动轮边电机系统上：比如某A00级别的纯电汽车装配40kw驱动电机系统，采用2个轮边电机系统则为每个轮边20kw驱动电机系统，采用4个轮边电机系统则为每个轮边电机系统，如图1所示。

公开号为CN 108312784A的专利就一种车辆底盘一体化驱动系统提出了左右2个驱动电机加二合一驱动电机控制器的驱动桥结构，改方案属于优化的集中驱动方式；公开号为 107298015A的专利就驱动电机及减速器提出了一种二合一的装置结构，该装置集成方案为电机及减速器，在实际汽车运用时，不可避免会有电机与电机控制器之间的冷却管路、三相动力线束、电机位置信号线束连接，管路、线束会增加整车成本、同时也会增加整车的重量，与整车的轻量化及集成化思路相悖，还有就是高压线束的存在不可避免导致在负载条件下的电机系统的EMC检测难以通过，影响整车EMC通过。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的汽车电机系统集成程度低，电机系统成本高的问题，而提出一种电动重载车辆轮边驱动总成。

一种电动重载车辆轮边驱动总成，其组成包括永磁同步电机、电机驱动器、冷却管道，电机驱动器固定在永磁同步电机的上端，二者构成一个总成结构；冷却管道包括S形弯折排布的平板结构和螺旋盘绕的筒形结构，且两部分之间连通，S形弯折排布的平板结构安装在电机驱动器内，为其散热，电机驱动器的外壳上设置的相应的开口供形成S形弯折排布的平板结构走管用；螺旋盘绕的筒形结构包裹在永磁同步电机外周，为其散热。

本发明的有益效果为：

本发明的电机集成方法：将驱动电机和驱动电机控制器集成，省去电机三相线束、省去电机低压位置信号线束、省去一根电机与电控连接的冷却水管。该集成方法可以使得电机系统的集成度更高，更加利于整车的布置，同时节省了冷却水管管路、三相动力线束、电机低压位置信号线束，省去了高压线束接插件，从而节省了电机系统的成本。

另外：

由于重载车辆结构设计及使用功能的需要，留给车轮驱动电机的安装空间狭小，因此选用体积较小、输出功率较大的永磁同步电机，以适应在狭小空间内的布局需要；电机集成程度高。

通常会将电机与驱动器分开布置，中间使用动力线缆和控制信号线缆连接，由于动力线缆中的电流较大，在流经线缆时会产生较强的电磁场，从而对其他部件造成电磁干扰，以此本发面将永磁同步电机(1)和电机驱动器(2)集成为一体，二者之间通过铜柱(2F)进行连接，一方面可以缩短连接距离，使结构更加紧凑，进一步减小体积，适应在狭小空间内的布局，另一方面，永磁同步电机(1)和电机驱动器(2)的外部壳体均为金属材料制成，可以利用二者的金属壳体实现电磁屏蔽，以免对其他部件产生电磁干扰，获得更好的电磁兼容性。

在工作过程中，无论是永磁同步电机(1)还是电机驱动器(2)都会产生热量，若无法及时散热导致温度过高时，一方面会使永磁同步电机(1)内的永磁体退磁，电机无法正常转动，另一方面过高的温度也会超过电机驱动器(2)内电器部件的许用范围，导致部分电器部件失效，进而损坏电机驱动器(2)，因此需要加装散热装置来解决这一问题，但由于空间有限，无法依照传统形式，通过加装散热风扇解决散热问题，因此本发明创造采用水冷方式，利用冷却液来带走电机及驱动器发出的热量，保证永磁同步电机(1)和电机驱动器(2)正常运行。

电动重载车辆轮边驱动总成的工作原理为：电动重载车辆的车载蓄电池将直流电输送给电机驱动器(2)中的逆变器，逆变器将直流电转换为交流电，同时电机驱动器(2)接收控制信号，适时将交流电输送给永磁同步电机(1)，输出轴(1A)与车辆的车轮相连，从而驱动车轮实现车辆的行驶。

本发明中选用的电机为永磁同步电机，永磁同步电动机具有结构简单，体积小、运行效率高、转子的转动惯量小、功率密度高等优点。永磁体的放置方式对电动机性能会产生很大影响，表面式转子结构的同步电机永磁体位于转子铁芯的外表面，这种转子结构简单，但产生的异步转矩很小，仅适合于启动要求不高的场合。由于本产品用于重载车辆，为保证电机具有良好的启动特性，本产品采用内置式转子结构，即将永磁体位于鼠笼导条和转轴之间的铁芯中，以便获得较好的启动性能。

附图说明

图1为本发明背景技术涉及的电动汽车驱动形式发展趋势；

图2-图5为本发明电动重载车辆轮边驱动总成的结构示意图；

图6-图7为本发明涉及的电机驱动器2的结构示意图；

图8为本发明涉及的铜柱的结构示意图；

图9为本发明涉及的冷却管道3的结构示意图；

图10为本发明涉及的电机驱动方法图；

图11为本发明涉及的永磁同步电机转速控制原理图；

图12为本发明涉及的正弦波内置永磁同步电动机的时空相量图。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的电动重载车辆轮边驱动总成，其组成包括永磁同步电机1、电机驱动器2、冷却管道3，电机驱动器2固定在永磁同步电机1的上端，二者构成一个总成结构；冷却管道3包括S形弯折排布的平板结构和螺旋盘绕的筒形结构，且两部分之间连通，S形弯折排布的平板结构安装在电机驱动器2内，为其散热，电机驱动器2的外壳上设置的相应的开口供形成S形弯折排布的平板结构走管用；螺旋盘绕的筒形结构包裹在永磁同步电机 1外周，为其散热。

永磁同步电机1为正弦内置永磁同步电机，永磁体被牢牢地镶嵌在转子铁心内部，适用于高速运行场合。永磁同步电机1可通过控制电枢电流的幅值调整电磁转矩，获得类似于直流电动机的调速性能。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的电动重载车辆轮边驱动总成，所述的永磁同步电机1包括输出轴1A、法兰端盖1B、电机外壳1C、电机后盖1D、进液口1E、出液口1F、吊环1G、动力线缆接口1H、控制信号线缆接口1J；

电机外壳1C为永磁同步电机1的承载和保护结构，电机外壳1C的前端固定封装有法兰端盖1B，电机外壳1C的后端固定封装有电机后盖1D；输出轴1A由永磁同步电机1前端的法兰端盖1B体上穿出，输出轴1A的一端与电机的转子相连，另一端具有花键结构，用于与重载车辆的车轮连接，以驱动车轮实现车辆的行驶；在电机外壳1C上设有进液口 1E、出液口1F、吊环1G，进液口1E和出液口1F主要用于冷却液的流入和流出，吊环1G 用于在安装过程中的悬吊和辅助移动

输出轴1A的后方为法兰端盖1B，法兰端盖1B的边缘设有一圈螺栓孔，用于与车辆的其他部件通过螺栓相连，实现电动重载车辆轮边驱动总成的固定；

电机后盖1D上设有动力线缆接口1H和控制线束接口1J，动力线缆接口1H用于连接电机的动力电缆，控制线束接口1J用于连接控制电机运转的控制信号线。

具体实施方式三：

与具体实施方式二不同的是，本实施方式的电动重载车辆轮边驱动总成，如图6-图7 所示，电机驱动器2包括驱动器外壳体2A、固定架2B、连接块2C，驱动器外壳体2A内部安装有用于控制永磁同步电机1的控制系统，驱动器外壳体2A的下表面连接有连接块 2B和固定架2C，驱动器外壳体2A通过连接块2B和固定架2C与永磁同步电机1的电机外壳1C固定；

在连接块2C底部的安装面上设有一排铜柱安装孔2D和一个控制信号线缆通过孔2E，由于永磁同步电机1为三相电机，即动力线缆分为A、B、C三相如图8所示，所以铜柱安装孔2D共有3个，用于安装三根铜柱2F，与相应的动力线缆相连接。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的电动重载车辆轮边驱动总成，冷却管道3 主要包括电机驱动器冷却管道3A、永磁同步电机冷却管道3B、进液连接管3C、出液连接管3D；

进液连接管3C与永磁同步电机冷却管道3B的一端相连，永磁同步电机冷却管道3B的另一端通过管道与电机驱动器冷却管道3A一端相连，电机驱动器冷却管道3A的另一端通过管道与出液连接管3D相连；

进液连接管3C与进液口1E连接，出液连接管3D与出液口1F连接。

在实际工作中，冷却液从进液口1E流入，经进液连接管3C流入永磁同步电机冷却管道3B，再由永磁同步电机冷却管道3B流入电机驱动器冷却管道3A，进而再经出液连接管3D从出液口1F流出。

由于电动重载车辆轮边驱动总成的安装位置空间狭小，像传统车辆一样布置冷却风扇，而无论是永磁同步电机1还是电机驱动器2在运行过程中都会产生热量，当热量过高时一方面会使永磁同步电机1得永磁体磁性下降，影响电机的平稳运行，另一方面温度过高又会影响电机驱动器2内电器部件的运行稳定性，因此通过在电动重载车辆轮边驱动总成内布置冷却管道3，便可在狭小空间内同时实现永磁同步电机1和电机驱动器2的散热问题。

具体实施方式五：

与具体实施方式四不同的是，本实施方式的电动重载车辆轮边驱动总成，如图8所示，铜柱2F的两端设有线缆安装孔2G，一端的线缆安装孔2G与电机驱动器2相连，另一端的线缆安装孔2G与永磁同步电机1内的定子和转子的感应线圈相连。

工作原理：

本发明创造采用的电机驱动方法如图10所示：

电动重载车辆轮边驱动总成的工作原理为：电动重载车辆的车载蓄电池将直流电输送给电机驱动器2中的逆变器，逆变器将直流电转换为交流电，同时电机驱动器2接收控制信号，适时将交流电输送给永磁同步电机1，输出轴1A与车辆的车轮相连，从而驱动车轮实现车辆的行驶。

本发明中选用的电机为永磁同步电机，永磁同步电动机具有结构简单，体积小、运行效率高、转子的转动惯量小、功率密度高等优点。永磁体的放置方式对电动机性能会产生很大影响，表面式转子结构的同步电机永磁体位于转子铁芯的外表面，这种转子结构简单，但产生的异步转矩很小，仅适合于启动要求不高的场合。由于本产品用于重载车辆，为保证电机具有良好的启动特性，本产品采用内置式转子结构，即将永磁体位于鼠笼导条和转轴之间的铁芯中，以便获得较好的启动性能。

本发明创造所涉及的永磁同步电动机是靠转子绕组的异步转矩实现启动的。启动完成后，转子绕组不再起作用，由永磁体和定子绕组产生的磁场相互作用产生驱动转矩。

永磁同步电动机的启动和运行主要是定子绕组、转子绕组和永磁体这三者产生的磁场的相互作用实现。当电动机需要启动时，对处于静止状态的定子绕组通入三相交流电，以便使电机的定子产生旋转磁场，定子上形成的旋转磁场会在转子绕组上产生感应电流，从而使转子也感应生成旋转磁场，定子旋转磁场与转子旋转磁场和转子上的永磁体相互作用产生的异步转矩，进而促使转子由静止开始加速转动。在这一过程中，由于转子永磁磁场与定子旋转磁场转动速度有所不同，使得二者之间产生交变转矩。随着转子速度的不断提高，当转子加速到接近定子磁场转速的时候，即达到同步转速时，转子旋转磁场与定子旋转磁场的转速接近相等，转子旋转磁场的强度也趋近于零，但此时定子旋转磁场速度仍会稍大于转子上永磁体的磁场，它们之间相互作用产生转矩将转子牵入到同步运行状态。当达到同步运行时，转子绕组已经不再产生感应电流，转子只是依靠永磁体产生磁场与定子旋转磁场相互作用产生转动力矩，最终实现永磁同步电动机的平稳运行。

永磁同步电机的转速控制系统被安装在电机驱动器2内，它主要由控制电路、驱动电器、位置传感器、逆变器组成。

图11所示的永磁同步电机转速控制原理。

在工作时，控制电路在接收到输入指令后，通过驱动电路实现电机转速的调整，再通过位置传感器将电机转动情况回传给控制电路，以便实时获得电机的实际转动情况，逆变器将蓄电池输出的直流电转化成正弦交流电，用以保证电机的转动。

永磁同步电机1具有以下特点：定子三相绕组采用短距、分布绕组或分数槽绕组，定子绕组感应电势波形接近正弦；由三相逆变器提供定子绕组的三相对称电流产生旋转磁场, 拖动永磁转子同步旋转；定子绕组的通电频率以及由此产生的旋转磁场转速取决于转子的实际位置和转速；转子的实际位置和转速由光电式编码器或旋转变压器获得。

如图12所示的正弦波内置永磁同步电动机的时空相量图，永磁同步电机1的永磁体被牢牢地镶嵌在转子铁心内部，可适应重载车辆高速运行的工况；同时，此类布局有效气隙较小，电机直轴和交轴的同步电抗均较大，电枢反应磁势较大，从而存在相当大的弱磁空间；直轴的有效气隙比交轴的大，因此，直轴同步电抗小于交轴同步电抗，即：Ld<Lq。

在永磁同步电机1运行的过程中，需要满足电压平衡方程式与相量图，即满足以下函数关系：

同时，永磁同步电机1还要满足矩角特性规律，具体函数关系如下：

在实际工作中，永磁同步电机1的输入功率、电磁功率、电磁转矩需要满足以下规律。

输入功率：

电磁功率；

P_em＝P₁-p_cua＝P₁-mI_a ²r_a＝P₁-m(I_d ²+I_q ²)r_a

＝m[E₀I_q+I_dI_q(x_d-x_q)]

电磁转矩：

Claims (5)

1.一种电动重载车辆轮边驱动总成，其特征在于：其组成包括永磁同步电机（1）、电机驱动器（2）、冷却管道（3），电机驱动器（2）固定在永磁同步电机（1）的上端，二者构成一个总成结构；冷却管道（3）包括S形弯折排布的平板结构和螺旋盘绕的筒形结构，且两部分之间连通，S形弯折排布的平板结构安装在电机驱动器（2）内，为其散热，电机驱动器（2）的外壳上设置的相应的开口供形成S形弯折排布的平板结构走管用；螺旋盘绕的筒形结构包裹在永磁同步电机（1）外周，为其散热。

2.根据权利要求1所述电动重载车辆轮边驱动总成，其特征在于：所述的永磁同步电机（1）包括输出轴（1A）、法兰端盖（1B）、电机外壳（1C）、电机后盖（1D）、进液口（1E）、出液口（1F）、吊环（1G）、动力线缆接口（1H）、控制信号线缆接口（1J）；

电机外壳（1C）为永磁同步电机（1）的承载和保护结构，电机外壳（1C）的前端固定封装有法兰端盖（1B），电机外壳（1C）的后端固定封装有电机后盖（1D）；输出轴（1A）由永磁同步电机（1）前端的法兰端盖（1B）体上穿出，输出轴（1A）的一端与电机的转子相连，另一端具有花键结构，用于与重载车辆的车轮连接，以驱动车轮实现车辆的行驶；在电机外壳（1C）上设有进液口（1E）、出液口（1F）、吊环（1G），进液口（1E）和出液口（1F）主要用于冷却液的流入和流出，吊环（1G）用于在安装过程中的悬吊和辅助移动

输出轴（1A）的后方为法兰端盖（1B），法兰端盖（1B）的边缘设有一圈螺栓孔，用于与车辆的其他部件通过螺栓相连，实现电动重载车辆轮边驱动总成的固定；

电机后盖（1D）上设有动力线缆接口（1H）和控制线束接口（1J），动力线缆接口（1H）用于连接电机的动力电缆，控制线束接口（1J）用于连接控制电机运转的控制信号线。

3.根据权利要求1或2所述电动重载车辆轮边驱动总成，其特征在于：电机驱动器（2）包括驱动器外壳体（2A）、固定架（2B）、连接块（2C），驱动器外壳体（2A）内部安装有用于控制永磁同步电机（1）的控制系统，驱动器外壳体（2A）的下表面连接有连接块（2B）和固定架（2C），驱动器外壳体（2A）通过连接块（2B）和固定架（2C）与永磁同步电机（1）的电机外壳（1C）固定；

在连接块（2C）底部的安装面上设有一排铜柱安装孔（2D）和一个控制信号线缆通过孔（2E），铜柱安装孔（2D）共有3个，用于安装三根铜柱（2F），与相应的动力线缆相连接。

4.根据权利要求3所述电动重载车辆轮边驱动总成，其特征在于：冷却管道（3）主要包括电机驱动器冷却管道（3A）、永磁同步电机冷却管道（3B）、进液连接管（3C）、出液连接管（3D）；

进液连接管（3C）与永磁同步电机冷却管道（3B）的一端相连，永磁同步电机冷却管道（3B）的另一端通过管道与电机驱动器冷却管道（3A）一端相连，电机驱动器冷却管道（3A）的另一端通过管道与出液连接管（3D）相连；

进液连接管（3C）与进液口（1E）连接，出液连接管（3D）与出液口（1F）连接。

5.根据权利要求4所述电动重载车辆轮边驱动总成，其特征在于：铜柱（2F）的两端设有线缆安装孔（2G），一端的线缆安装孔（2G）与电机驱动器（2）相连，另一端的线缆安装孔（2G）与永磁同步电机（1）内的定子和转子的感应线圈相连。